La ratonera de Rutherford y Royds

Experientia docet El núcleo Artículo 9 de 15

Foto: Daniel Park / Unsplash

Se descubrió por primera vez que el helio existía en el Sol mediante el análisis espectroscópico de la radiación solar. Más tarde, se descubrió que se puede encontrar gas helio en la Tierra dentro de algunos minerales radiactivos. Además, William Ramsey y Frederick Soddy, que trabajaban en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, habían descubierto, en 1903, que el helio se desprende de un compuesto radiactivo, el bromuro de radio. Esto llevó a Rutherford, también en Cambridge, a plantear la hipótesis de que la partícula alfa es un átomo de helio doblemente ionizado (He2+), es decir, un átomo de helio menos sus dos electrones, o, como diríamos ahora, el núcleo de un átomo de helio.

En una serie de experimentos realizados entre 1906 y 1909 Rutherford logró demostrar la veracidad de su hipótesis de varias formas diferentes. El último y más convincente de estos experimentos se realizó en 1909, como los demás en colaboración con Thomas Royds, al construir lo que James Jeans llamó más tarde «una especie de ratonera para partículas».

El experimento hacía uso del elemento radiactivo radón (Rn). Pierre Curie y Andre Debierne habían descubierto el radón en 1901. Previamente, habían encontrado que el radio emite un gas radiactivo. Una pequeña cantidad de este mostraba que el gas era un emisor de partículas alfa. Demostraron que el gas era un elemento nuevo, al que llamaron «emanación de radio», más tarde llamado «radón». Luego, Ramsey y Soddy descubrieron que cuando el radón se almacena en un recipiente cerrado el helio siempre termina apareciendo en el recipiente.

La ratonera de Rutherford y Royds. Imagen: Cassidy Physics Library

Rutherford y Royds pusieron una pequeña cantidad de radón en un tubo de vidrio con una pared de solo 0,01 mm de espesor. Esta pared era lo suficientemente delgada como para que las partículas alfa pudieran atravesarla, pero el radón no pudiese hacerlo. La ampolla formada por este tubo con radón sellado la colocaron dentro en un tubo de vidrio exterior de paredes gruesas que tenía una sección de descarga eléctrica en la parte superior (véase figura). Extrajeron el aire del tubo exterior (a) y dejaron reposar el aparato durante aproximadamente una semana. Durante este tiempo, las partículas alfa del radón atravesaban las delgadas paredes de la ampolla pero no las del tubo exterior (b). Pasada la semana se encontró que se había acumulado un gas en el espacio en el que previamente se había evacuado el aire.

A continuación Rutherford y Royds bombearon mercurio en la parte inferior del aparato para comprimir la pequeña cantidad de gas producida y confinarlo en el tubo de descarga (c). Cuando aplicaron una diferencia de potencial a los electrodos del tubo se produjo una descarga eléctrica en el gas. El examen de la luz resultante con un espectroscopio mostraba que las líneas espectrales eran las características del elemento helio. [1][2]

De este resultado se podía concluir con seguridad que el gas helio que se acumulaba en el tubo de vidrio exterior se formaba a partir de las partículas que habían pasado al tubo exterior y habían recogido algunos electrones para formar átomos de helio. Las partículas alfa eran por tanto núcleos de helio.

El resultado de Rutherford y Royds también apuntaba otra cosa importante: por lo visto, un átomo de un elemento (radón) puede emitir espontáneamente un fragmento (una partícula alfa) que es el ¡núcleo de otro elemento (helio)! Esta era una idea sorprendente, pero solo el comienzo de cosas aún más sorprendentes que estaban por descubrir.

Notas:

[1] En un experimento de control paralelo, se colocó gas helio en el tubo interior de pared delgada y se comprobó que no se filtraba a través de la pared del tubo interior.

[2] Este, en opinión de un servidor, es uno de los experimentos intelectualmente más elegantes de todos los tiempos.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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